(57)【要約】  ガスタービン発電機（１０）が、発電機（１０）の回転子（２０）を有するシャフト（３０）と、コンプレッサホイール（１６）と、それに固定されたタービンホイール（１８）とを含む半径流ガスタービン発電機（１０）。シャフト（３０）は、回転子（２０）とコンプレッサホイール（１６）との間にあるシャフト（３０）上の軸方向位置に設けられた単一ベアリング装置（３８）によって回転するように支持されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径流ガスタービン発電機において、前記発電機の回転子と、それに固定された前記ガスタービンのコンプレッサホイールおよびタービンホイールとを有するシャフトを含み、前記シャフトは単一ベアリング装置によって回転するように支持されており、前記単一ベアリング装置は、前記回転子と前記コンプレッサホイールとの間にある前記シャフト上の軸方向位置に設けられた、半径流ガスタービン発電機。
【請求項２】
前記単一ベアリング装置は、２つ以上の機械的接触ベアリングを含む、請求項１に記載のガスタービン発電機。
【請求項３】
前記機械的接触ベアリングは、転動体ベアリングである、請求項２に記載のガスタービン発電機。
【請求項４】
前記ベアリング装置の前記ベアリングは、前記ベアリング間の所定の関係を維持するモジュール内に設けられた、請求項２または３に記載のガスタービン発電機。
【請求項５】
前記ベアリングは、スリーブ内に取り付けられた、請求項４に記載のガスタービン発電機。
【請求項６】
前記ベアリングは、前記スリーブ内に互いに間隔を置いて取り付けられた、請求項５に記載のガスタービン発電機。
【請求項７】
弾性部材が前記スリーブ内の前記ベアリング間に配置された、請求項６記載のガスタービン発電機。
【請求項８】
前記弾性部材は、コイルばねである、請求項７に記載のガスタービン発電機。
【請求項９】
前記コイルばねは、前記ばねの第１端部が前記ベアリングに当接し、前記ばねの反対側の端部が前記スリーブに設けられたシートに当接するように前記スリーブ内に配置された、請求項８に記載のガスタービン発電機。
【請求項１０】
前記ベアリング装置が空冷式である、請求項１記載のガスタービン発電機。
【請求項１１】
前記ベアリング装置は、前記発電機を冷却する目的で前記発電機内に引き込まれた空気によって冷却される、請求項１０に記載のガスタービン発電機。
【請求項１２】
前記発電機の前記回転子は、前記発電機内に空気を引き込むための装置が設けられた、請求項１１に記載のガスタービン発電機。
【請求項１３】
前記ベアリング装置は、前記コンプレッサホイールによって前記ガスタービン内に引き込まれた空気によって冷却される、請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載のガスタービン発電機。
【請求項１４】
前記ベアリング装置は、自己潤滑式である、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のガスタービン発電機。
【請求項１５】
前記ベアリング装置は、オイルウィックシステムによって潤滑される、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のガスタービン発電機。
【請求項１６】
前記ベアリング装置は、適切に構成された再循環潤滑システムによって冷却されかつ潤滑される、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のガスタービン発電機。
【請求項１７】
前記ガスタービン発電機の前記動作速度は、前記第１共振速度よりも速い、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のガスタービン発電機を動作させる方法。
【請求項１８】
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のガスタービン発電機を含む、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）または電気自動車（ＥＶ）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービン発電機に関し、特にガスタービン発電機用のベアリング装置に関する。より具体的には、本発明は、限定はしないが、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）または電気自動車（ＥＶ）用のレンジエクステンダ装置に使用するのに適したガスタービン発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、発電を含む様々な用途で使用されている。電力を発生させるために、ガスタービンエンジンは直流発電機または交流発電機などの発電機に結合されている。ガスタービンおよび発電機は、ギアボックス等の変速装置を介して互いに間接的に結合されることができる。あるいは、ガスタービンと発電機とを直接結合して、ガスタービンと発電機とが同じ速度で回転するようにされることもできる。ガスタービンコンプレッサおよびタービン要素は、軸流型または半径流型であってもよい。半径流要素が使用される場合、単段コンプレッサおよび単段タービンのみを使用することが通常可能であり、得られる短いアセンブリは、これらの回転要素をより冷たいコンプレッサ側に隣接する支持ベアリングと共にオーバーハング配置で取り付けられることを可能にする。
【０００３】
コンプレッサ、タービン、および発電機が直接結合されて同じ速度で回転する場合、結果として生じる回転アセンブリは、機械に固有の、重量、推力、および他の負荷に抵抗するためにベアリングシステムによって支持される。オーバーハング型直接駆動ガスタービン発電機に関する既知の技術では、２つのベアリングが使用され、これらのベアリングは発電機の何れかの側に配置されている。そのような配置では、コンプレッサおよびタービンはベアリングに対してオーバーハングしている一方で、発電機の回転要素は２つのベアリングの間で支持されている。そのような配置は、例えば、米国特許出願公開第２００２／００８４７０２号に記載されている。
【０００４】
既知の技術の更なる特徴は、ベアリングに潤滑と冷却の両方を行うオイルの供給を維持する潤滑システムをベアリングに設けることができることである。ガスタービンの典型的な回転速度は高いため、ベアリングの正しい潤滑および冷却は適切なベアリングの寿命を達成するために重要である。
【０００５】
ベアリングを潤滑する必要性を排除する代替解決策は、例えば、先行技術文献ＵＳ２００６／０２４１７８およびＵＳ６１９８１７４に開示されている。米国特許出願公開第２００６／０２４１７８号明細書は、発電機のいずれかの側のシャフト上に配置された２つのエアフォイルベアリングの使用を記載している。同様のエアフォイルベアリング装置が米国特許第６１９８１７４号に記載されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、半径流ガスタービン発電機が提供され、ガスタービン発電機は、発電機の回転子と、コンプレッサホイールと、それに固定されたガスタービンのタービンホイールとを有するシャフトを含んでおり、シャフトは単一ベアリング装置により回転するように支持されており、単一ベアリング装置は、発電機の回転子とコンプレッサホイールとの間にあるシャフト上の軸方向位置に設けられる。
【０００７】
シャフト上の中間位置に単一ベアリング装置を設けることは、ベアリング装置の両側から延びるシャフト部分をもたらす。当業者には理解されるように、ベアリング装置の両側から延びるシャフト部分はそれらのそれぞれの遠位端では支持されていない。したがって、単一ベアリング装置は、シャフトに対する唯一の回転支持を提供する。単一ベアリング装置の使用は、シャフト上の他の軸方向位置における追加のベアリングの必要性を排除することによってガスタービン発電機の複雑さを軽減する。これにより、シャフトは単一ベアリング装置によって単一の位置で支持される。
【０００８】
単一ベアリング装置は、１つ以上のベアリングを含み得る。そのベアリングまたは各ベアリングは、機械的接触ベアリングとすることができる。
シャフト部分の一方は発電機の回転子を保持し、シャフト部分の他方はコンプレッサおよびタービンホイールを保持する。このように、回転子、コンプレッサ、およびタービンホイールは、ベアリング装置の両側にオーバーハングされている。
【０００９】
ベアリング装置は、２つ以上の機械的接触ベアリングを含んでいてもよい。ベアリングは、ベアリング間の所定の空間的関係を維持するモジュールまたはサブアセンブリに設けられてもよい。そのようなモジュールは、単一ユニットとしてベアリングの取り付けおよび取り外しを容易にすることができる。ベアリングは、スペーサによってモジュールまたはサブアセンブリ内で分離されることができる。
【００１０】
ベアリングは、スリーブとして構成されたモジュール内に取り付けられることができる。そのような実施形態では、ベアリングは、スリーブ内で互いに離間した関係で取り付けられてもよい。コイルばねの形態の弾性部材をスリーブ内のベアリング間に配置することができる。コイルばねは、ばねの第１端部がベアリングに当接し、ばねの反対側の端部がスリーブに設けられたシートに当接するようにスリーブ内に配置されてもよい。
【００１１】
機械的接触ベアリングは、内輪、外輪、および内輪と外輪との間に配置された複数の転動体を含む転動体ベアリングであってもよい。
機械的接触ベアリング装置は空冷式であってもよい。ベアリング装置は、発電機を冷却する目的で発電機内に引き込まれた空気によって冷却されることができる。そのような実施形態では、発電機の回転子は、発電機内に空気を引き込むためのファンを備えることができる。追加的に又は代替的に、機械的接触ベアリング装置は、コンプレッサホイールによってガスタービンに引き込まれる空気によって冷却されることができる。
【００１２】
機械的接触ベアリング装置の冷却が発電機とコンプレッサホイールの両方に引き込まれる空気によって達成される場合、機械的接触ベアリング装置上に２つの別々の空気流が提供されることが理解されよう。一方の空気流がベアリング装置の第１端部に衝突して冷却し、他方の空気流がベアリング装置の反対側の第２端部に衝突して冷却するように、各空気流はもう一方とは反対の軸方向に流れる。
【００１３】
有利には、機械的接触ベアリング装置は自己潤滑構成とすることができ、したがって、別個のベアリング潤滑システムを設ける必要がなくなる。
代替的に、ベアリングは、適切に構成された潤滑システムによって冷却および潤滑されてもよい。
【００１４】
本発明のさらなる態様によれば、ガスタービン発電機の動作速度が第１共振速度よりも大きい、本発明の第１の態様に関して上述したガスタービン発電機を動作させる方法が提供される。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、上述の種類のガスタービン発電機を有する電気自動車（ＥＶ）又はハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）が提供される。
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明によるベアリング装置を含むガスタービン発電機の縦断面図である。
【図２】図１のベアリング装置の拡大縦断面図である。
【図３】ベアリング装置、発電機回転子、ならびにガスタービンコンプレッサおよびタービンを含むガスタービン発電機の回転アセンブリの側面図である。
【図４】図３の回転アセンブリ、ベアリング装置、発電機回転子、およびガスタービンコンプレッサならびにタービンの縦断面図である。
【図５】別の回転アセンブリ、ベアリング装置、発電機回転子、およびガスタービンコンプレッサならびにタービンの縦断面図である。
【図６】図５の断面図の拡大詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、図１乃至４を参照すると、ほとんどの場合に符号１０で示すガスタービン発電機が示されている。発電機１０は、半径流ガスタービン部１２と発電部１４とを含んでいる。ガスタービン部１２は、コンプレッサホイール１６とタービンホイール１８とを含んでいる。発電部１４は、回転子２０と固定子２２とを含んでいる。回転子２０および固定子２２はケーシング２３によって囲まれている。
【００１８】
コンプレッサ１６およびタービンホイール１８には、それぞれケーシング２４、２６が設けられている。ガスタービン部１２は、当業者に知られている従来の方法で動作可能である。具体的には、コンプレッサホイールケーシング２４の環状入口２８を通してコンプレッサホイールケーシング２４内に引き込まれた空気は、コンプレッサホイール１６によって圧縮される。燃料が圧縮空気に加えられ、燃料−空気混合物が燃焼させられる。膨張する燃焼ガスはタービンホイールケーシング２６を通過し、そこでタービンホイール１８に衝突してそれを回転させる。続いて、例えば熱交換器を介して、燃焼ガスからエネルギを回収することができる。回収されたエネルギは、燃焼前にコンプレッサホイールによって圧縮された空気を加熱するために使用されることができる。
【００１９】
発電部１４は、固定子２２に対する回転子２０の回転が電気エネルギを発生するように、当業者に知られている従来の方法で動作する。
コンプレッサ１６およびタービンホイール１８および回転子２０は、共通シャフト３０上で回転するように結合されている。図示の実施形態では、シャフト３０は、互いに連結されたタービンシャフト部３０ａと発電機シャフト部３０ｂとを備える。本実施形態では、連結は、発電機シャフト部３０ｂの対応するねじ付き凹部３４内に受容されているタービンシャフト部３０ａのねじ付き突起３２によって行われる。シャフト部分３０ａ、３０ｂを接続する他の方法が使用されてもよいことが当業者によって理解されるであろう。あるいは、一体型シャフトを用いてもよい。
【００２０】
回転子２０にはさらに、使用時に冷却空気の流れを発電部１４に供給する構成が設けられている。図示の実施形態では、配置はラジアル冷却ファン３６である。ここで説明した方法で空気を移動させるために他の形態の配置を利用してもよいことが理解されよう。冷却ファン３６が回転すると、矢印２７で示すように、ケーシングの開口部２５を通してケーシング２３内に空気が引き込まれる。次いで、空気は、矢印２９で示すように、固定子２２の周り、および固定子２２と回転子２０との間を通過する。空気は、その端部に設けられた開口部３１を介してケーシング２３から出る。
【００２１】
図に示す実施形態では、シャフト３０は、発電部ケーシング２３内に設けられたベアリング構造３８内で回転するように支持されている。また、本実施形態では、ベアリング装置３８は、以下、発電機側ベアリング４０と呼ぶ第１環状ベアリング４０と、以下、タービン側ベアリング４２と呼ぶ第２環状ベアリング４２と、ベアリング４０、４２の中間に配置された環状スペーサ４４と、ベアリング４０、４２の間に延びて環状スペーサ４４を取り囲む軸方向ばね４６とを含んでいる。本実施形態では、ベアリング４０、４２、スペーサ４４、およびばね４６は別々になっている。代替的な実施形態では、ベアリング４０、４２、スペーサ４４、およびばね４６は、単一部品として取り付けることができるモジュールまたはカセットに組み込まれることができる。そのような実施形態は、図５および図６を参照して以下に説明する。
【００２２】
各ベアリング４０，４２は転動体ベアリングである。各ベアリング４０、４２は、内輪、外輪、および内輪と外輪との間に配置された複数の回転要素を含んでいる。
ベアリング装置３８は、タービンシャフト部３０ａがベアリング装置３８の一方の側から延び、発電機シャフト部３０ｂがベアリング装置３８の反対側から延びるように、シャフト３０の中間位置に設けられることに留意されたい。タービンシャフト部３０ａも発電機シャフト部３０ｂも、他のベアリング装置によってそれらのそれぞれの長さに沿って支持されていないことにさらに留意されたい。したがって、発電部１４の回転子２０と、ガスタービン部１２のコンプレッサ１６およびタービンホイール１８との両方が、ベアリング装置３８に対してオーバーハングしていることが理解されよう。
【００２３】
シャフト３０の前述の中間位置にベアリング装置３８を設けることによって、ベアリング４０、４２を空冷することが可能になる。図から容易に分かるように、発電機側ベアリング４０は冷却ファン３６に隣接して配置され、空気が冷却ファン３６によって引き込まれる開口２５によって囲まれている。タービン側ベアリング４２は、コンプレッサ入口２８に隣接して配置されている。したがって、両方のベアリング４０、４２は、ガスタービン部１２および発電部１４のそれぞれの「低温」端部に設けられている。
【００２４】
任意選択で、矢印４８で示すように、コンプレッサ入口２８に引き込まれる空気を利用することによって、ベアリング装置３８のさらなる冷却を達成することができる。コンプレッサホイール１６には、コンプレッサ入口２８とコンプレッサホイール１６およびシャフト３０の間に画定された環状空間または通路５２との間に延びる複数の貫通孔５０が設けられている。コンプレッサのブレードが減圧する前に減圧されると、ケーシング２３に入る空気の一部が矢印５４で示すようにコンプレッサホイール開口５０に向かって引き込まれる。
【００２５】
ベアリング装置３８を空冷することにより、ベアリング４０、４２にグリースまたはオイルウィック潤滑を用いることが可能になり、したがって、ベアリング４０、４２に油を供給する比較的複雑な潤滑システムが不要になる。使用時にベアリング４０、４２が経験する温度がベアリング４０、４２内の潤滑媒体が劣化する温度を超えないので、ベアリング装置３８の空冷はさらに自己潤滑ベアリング４０、４２を使用することを可能にする。
【００２６】
ここで図５および図６を参照すると、別の回転アセンブリ、ベアリング装置、発電機回転子、およびガスタービンコンプレッサならびに概ね１００で示されたタービンの縦断面図が示されている。図１乃至４を参照して説明した発明の実施形態に共通の特徴は、「１」を前に付けた同様の符号で識別されている。
【００２７】
前述のように、ベアリング装置１３８は、スペーサ１４４によって互いに対して要求される軸方向の間隔で維持される２つのベアリング１４０、１４２を含んでいる。図１乃至４のベアリング装置３８とは対照的に、ベアリング１４０、１４２は管状スリーブ１５６内に配置されている。スリーブ１５６の孔１５８は、環状シート１６０が設けられており、この環状シート１６０に対してコイルばね１４６の一端が位置している。コイルばね１４６の反対側の端部は、回転子１２０の近位にあるベアリング１４０に当接する。当然のことながら、ベアリング１４０、１４２をスリーブ１５６で取り付けることによって、ベアリング装置１３８をケーシング１２３の適切な大きさの孔に嵌合する前に予め組み立てられることが可能になる。
【００２８】
スリーブ１５６はさらにその外周の周りに複数の弾性リング１６２が設けられている。本実施形態では、スリーブ１５６には、スリーブ１５６の両端に対をなして４つのリング１６２が設けられている。これらの弾性リング１６２の機能は２つある。第１に、リング１６２は、ケーシング１２３内のスリーブ１５６、したがってシャフト１３０のための不平（ｃｏｍｐｌａｉｎｔ）取付配置を画定する。対の弾性リング１６２はさらに、スリーブ１５６の外周の周りに環状チャンバ１６４を画定するように働く。チャンバ１６４は、ケーシング１２３のポート１６６を通って油のような液体で満たされて、シャフト１３０の長手方向中心軸線に対して実質的に垂直な方向へのスリーブ１５６およびシャフト１３０の移動を弱めることができる。
【００２９】
上述したタイプのガスタービン発電機１０が確実に作動するためには、有害な振動がいかなるかなりの期間に励起されないように作動しなければならないことが当業者には理解されるであろう。そのような発電機１０については、質量および剛性特性は、発電機１０が常に第１共振振動速度よりも低い速度で動作するように構成されていてもよい。あるいは、そのような発電機１０は、１つまたは複数の共振周波数を超える速度で動作するように設計されることができる。そのような発電機１０は、通常、著しく有害な振動が発生しないように十分な速度で共振速度を介して加速される。
【００３０】
上述の実施形態は、ベアリングが空冷式でグリース潤滑式のガスタービン発電機に関するものであるが、回転子、コンプレッサ、およびタービンのダブルオーバーハング構成を他のベアリング装置と共に使用することができることが理解されよう。例えば、ダブルオーバーハング構成は、従来の加圧油供給潤滑および冷却システムと共に使用されることができる。あるいは、ダブルオーバーハング構成は、潤滑剤が、毛管作用よってリザーバからベアリングに供給される潤滑システムと共に使用されてもよい。
【００３１】
本発明のガスタービン発電機は、レンジエクステンダ装置として電気自動車（ＥＶ）又はハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）に使用されることができる。より具体的には、ガスタービン発電機は、ＥＶ又はＨＥＶの電池セルを再充電する目的で電力を生成するように動作することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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